解决功率密度和EMI挑战以实现汽车电气化的未来

汽车电气化并不新鲜。事实上，最早的电动汽车 （EV）是在 1800 年代后期推出的。但新的是遏制燃料排放的压力越来越大，以及由半导体创新和可负担性推动的消费者对电动汽车的采用激增。

2010 年，电池组每千瓦时的平均价格超过 1，000 美元。到 2024 年，这个数字预计将降至 100 美元以下。此外，较新的 EV 车型一次充电可行驶超过 300 英里（480 公里），是 10 年前电动汽车的 3 倍。由于这些趋势，到 2025 年，多达 30% 的新车销售将是电动汽车。然而，推动更多电动汽车并非没有电力挑战。

汽车电气化中的电力挑战

随着汽车制造商开发更具创新性和价格合理的电动汽车技术，对高效充电站的需求也越来越大，以帮助进一步提高消费者的采用率。独立的直流快速充电器可以在短短 30 分钟内将 EV 快速充电至 80% 的容量，而您在家充电可能需要 10 多个小时。充电时间的大幅减少是部署大型直流充电站网络的原因之一。然而，这些独立充电站的设计成本可能很高，并且在正常运行和待机模式下都会消耗大量电力。为了满足这些电力需求，工程师的任务是使电网和车辆内部的电子设备更小、更可靠、更高效、更实惠。

电动汽车生态系统中的半导体创新

为了在更高的功率水平下实现最佳的车辆效率和更快的充电时间，采取整体方法非常重要，首先要全面了解从电源到负载的整个系统。对于电动汽车和混合动力电动汽车等快速发展的应用，系统组件需要具有可扩展性和灵活性，以适应不断变化的更高电池电压、双向充电甚至上市时间。有两个不同的电源管理目标——高功率密度和低电磁干扰 （EMI）——在更小的空间内提高大功率电动汽车和直流充电系统的效率。

功率密度

氮化镓 （GaN） 正成为功率密度的代名词，因为它的开关速度比传统的硅金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET） 甚至更新的碳化硅器件快 10 倍。仅当驱动源（在本例中为栅极驱动器）的输出与 GaN FET 的栅极紧密连接时，才能启用这种快速开关。

电气结果是几乎完美的方波，振铃非常小。机械结果是变压器尺寸减小了 59%，进而显着降低了电动汽车的整体尺寸和重量，从而延长了行驶时间。

GaN 高速开关的另一个好处是非常高的功率转换效率，在传统的大功率系统中，它可以在 96% 到 98% 之间变化。因此，这些系统将需要一个冷却风扇来消除数百瓦的热量浪费。典型的 GaN 系统提供超过 99% 的效率——因此这些系统不仅使用更少的能源，而且还消除了对冷却风扇的需求。对于电

低 EMI

包装不仅仅是为电子元件提供容器；它必须保护电路免受恶劣条件的影响，并保护用户免受极高电压的影响。创新的半导体封装可能意味着设备不仅仅是电路部件的总和。例如，德州仪器 （TI） 将更多功能集成到单个封装中的能力正在推动更高的功率密度、更高的系统可靠性和更低的整体系统成本。一个例子是 TI 的带有集成变压器的 UCC14240-Q1 DC-DC 偏置电源模块，它正在取代 EV 系统中的大型和笨重的机械变压器。将磁性元件集成到集成电路中是硅和软件进步的结果，这已经超过了铁和铜变压器行业的进步。

此外，如果像电动汽车这样的高功率系统要提高最后 1% 到 2% 的效率增益，工程师将不得不重新设计从电源到负载的整个系统，同时还要挑战传统思维。例如，当今许多系统中使用的低功耗集中式反激偏置电源必须使用更小的分布式电源架构进行重新设计，利用集成了 EMI 缓解、提高效率和双倍功率密度的新知识产权。

走向未来

TI 半导体使越来越多的电子产品能够以比以往更高效、更可靠和更经济的方式供电。为了在功率方面保持领先，工程师需要能够以更低的成本将更多的功率封装到更小的空间中。突破电源管理的界限意味着颠覆当前的思维。通过进一步提高系统级效率、可靠性和成本，半导体创新将继续在汽车电气化中发挥重要作用。

审核编辑：郭婷